難拆解、難回收!每年數以百萬計的廢棄電池,在電動汽車時代將成新問題

難拆解、難回收!每年數以百萬計的廢棄電池,在電動汽車時代將成新問題

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隨著越來越多的電動汽車進入市場,一個不得不考慮的問題開始出現——淘汰下來的電池該怎麼處理?

可能由於這些年銷售的電動汽車電池還沒有到報廢年限,這個問題現在似乎還沒有成為大麻煩,但是按照特斯拉8年電池保固的條件來看,未來十年左右預計有巨量淘汰下來的電動汽車電池需要處理,而這些電池如果處理不好,反而會污染環境,與電動汽車環保的初衷背道而馳。

萊斯特大學的材料科學家Dana Thompson警告說,回收電動汽車電池可能是一件危險的事情。

例如電動汽車電池如果被錯誤拆解,或者放錯了地方,可能會引發短路、燃燒,甚至釋放有毒氣體。

切碎的電動汽車電池可以產生可循環利用的金屬,但對於電池製造商而言,使用新材料通常更便宜。 

各國都在未雨綢繆,效益問題卻無法解決

如何回收處理未來每年數百萬電動汽車的廢棄電池?這是包括Thompson在內的研究人員面臨的眾多問題。

現實情況並不樂觀。

目前的電動汽車電池「實際上並不是為回收而設計的,」Thompson說,他同樣還是法拉第研究所的研究員,該研究所是英國的一個電池問題研究中心。

在電動汽車稀少的時候,這並不是什麼大問題。但是現在這項技術正在起飛。一些汽車製造商表示,他們計劃在幾十年內逐步淘汰內燃機,行業分析師預測,到2030年,至少有1.45億輛電動汽車上路,而去年只有1100萬輛。

「人們開始意識到這是一個問題。」Thompson說。

各國政府都在向要求電動汽車電池可以實現某種程度的再循環:2018年中國訂定了促進電動汽車電池零件再利用的新規定;歐盟也有望在今年最終確定這方面的第一個要求;

在美國,聯邦政府尚未提出回收要求,但包括美國最大的汽車市場加利福尼亞在內的幾個州正在探索制定自己的規則。

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材料科學家Thompson開發了從廢舊汽車電池中提取有價金屬的溶劑。

為了啟動循環利用,各國政府和工業界也正投入資金進行一系列研究。美國能源部(DOE)已經向ReCell中心注資約1500萬美元,以協調學術界、工業界和政府實驗室科學家的研究,英國已經支持了研究電池回收的ReLiB專案。

「隨著電動汽車產業的發展,取得進展的必要性變得越來越迫切」,Linda Gaines說,她在美國能源部的阿貢國家實驗室電池回收中心從事電池回收工作。

遺憾的是,儘管從技術上來說,回收可以實現,但是從效益上來說,回收很難普及。

電動車鋰電池在化學和結構上差別很大,這使得企業很難建立有效的回收系統,電池中的組件通常是用膠水黏在一起的,這又使得它們很難被分開。

這就為企業造成了一個經濟障礙:電池製造商購買新材料通常比回收的電池材料成本要低。

電池回收過程中仍然無法避免污染

電動汽車電池的構造有點像套娃,通常,一個核心包含幾個模組,每個模組由許多較小的單元格構成(見下圖)。

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在每個電池中,鋰原子穿過石墨陽極和金屬氧化物陰極之間的電解液,電池類型通常是由陰極中的金屬定義的,主要有三種類型:鎳鈷鋁、鐵磷酸鹽和鎳錳鈷。

現在,回收商主要針對陰極中的金屬,比如鈷和鎳,這些金屬的價格很高(鋰和石墨太便宜,回收利用不經濟),但是由於數量少,回收這些金屬就像大海撈針。

目前的回收手段主要有兩種,即「火法冶金」和「濕法冶金」。

火法冶金比較常見。回收商首先機械地將電池撕碎,然後燒毀,留下大量燒焦的塑膠、金屬和膠水。到了這一步,他們可以使用幾種方法來提取金屬,包括進一步燃燒。「這實質上是把電池當作直接從礦井裡開採出來的礦石來對待,」Gaines說。

相比之下,濕法冶金則需要將電池材料浸泡在酸液中,洗出含有金屬的液體,有時火法冶金和濕法冶金這兩種方法會結合在一起使用。

這兩種方法都各優點和缺點。

火法冶金,不需要回收者知道電池的設計或成分,甚至不需要知道電池是否完全放電,但它消耗能源;

濕法冶金可以提取不容易透過燃燒獲得的材料,但它可能涉及對健康構成危險的化學品,為此研究人員正在試驗一些化合物,這些化合物可以解某些電池金屬,讓其他金屬仍以固態形式存在,這使得它們更容易回收。

例如,Thompson已經確定了一種候選溶劑,一種叫做深度低共熔溶劑的酸鹼混合物,可以溶解除鎳以外的所有物質。

另外,這兩個過程都會產生大量的廢物並排放溫室氣體。此外,這種商業模式也可能岌岌可危:大多數業務依靠銷售回收鈷來維持營運,但現在的電池製造商正試圖擺脫這種相對昂貴的金屬。

普渡大學的材料科學家Rebecca Ciez說,如果這種情況發生,回收商可能會試圖出售成堆的「垃圾」。

什麼才是理想的回收?

火法冶金把廢電池燒成熔渣,而濕法冶金則把它們溶解在酸中,兩者的目的都是提取陰極材料。理想的做法是直接回收,這樣可以完好地回收陰極。

Gaines指出,這對電池製造商很有吸引力,因為再生陰極不涉及大量處理。「因此,如果你在考慮循環經濟,(直接回收)是一個比火法冶金和濕法冶金更簡潔的過程。」

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在直接回收過程中,工人們首先要對電解液進行真空處理,然後將電池電池粉碎,之後,他們再將用加熱或溶劑去除黏合劑,並使用浮選技術分離陽極和陰極材料。

到目前為止,直接循環實驗只在單個電池上實現了,只產生了幾十公克的陰極粉末。但是美國國家可再生能源實驗室的研究人員建立的經濟模型表明,如果在適當的條件下擴大規模,這項技術在未來是可行的。

不過,要實現直接回收,電池製造商、回收商和研究人員需要解決一系列問題。

其中之一是確保製造商在電池上貼上標籤,以便回收商了解他們正在處理的電池種類,以及正極金屬是否有價值。

Gaines指出,鑑於電池市場的快速變化,目前生產的陰極可能無法找到未來的買家,回收者將「回收一隻恐龍」,沒有人會想要這種產品。」

德國的一名技術人員正在確保燒毀的鋰離子電池在進一步回收前已經放電完畢

 

可拆解的電池也很關鍵

回收的另一個挑戰是如何有效地破解電動汽車電池。Nissan的Leaf電池組件拆卸需要2小時,特斯拉的電池則是獨一無二的,不僅因為它們的圓柱形狀,還因為它們由幾乎堅不可摧的聚氨酯膠水黏合在一起。

研究人員指出,工程師們也許能夠製造出能夠加速電池分解的機器人,但是即使你進入電池,棘手的問題仍然存在,這是因為更多的膠水被用來固定陽極、陰極和其他部件。

回收商用來溶解陰極黏合劑的一種溶劑毒性極大,歐盟(European Union)已對其使用實行了限制,美國環境保護局(US Environmental Protection Agency)去年也認定,這種溶劑對工人構成了「不合理的風險」。

萊斯特大學的化學家和Thompson 的顧問Andrew Abbott 說: 「就經濟學而言,你必須拆解... ...如果你想拆解,那麼你必須擺脫這些膠水。」

為了簡化這一過程,Thompson和其他研究人員正在敦促電動汽車和電池製造商開始在設計產品時就考慮到回收利用。

Andrew Abbott說,理想的電池應該是一個聖誕拉炮——這是一個英國的節日禮物,當收件人拉開兩端,露出糖果或訊息時,包裝就會自動彈開。

他以中國電動汽車製造商比亞迪去年推出的Blade電池(Blade Battery)為例。它的包去掉了模組組件,而是直接在內部存放電池單元,這些單元可以很容易地用手去除,而不需要用電線和膠水。

2018年,中國開始要求電動汽車製造商負責確保電池的回收利用,於是Blade電池應運而生。

中國現在回收的鋰離子電池比世界其他國家加起來還要多,大部分使用的是火法和濕法冶金方法。

採取類似政策的國家面臨著一些棘手的問題。Thompson說,其中一個問題是,誰應該承擔促成回收利用的主要責任。「這是我的責任,因為我買了(一輛電動汽車),還是製造商的責任,因為他們製造了電動汽車?」

在歐盟,一個明確的答案可能會在今年晚些時候出現,屆時歐盟官員將公布歐洲大陸的第一條規則。明年,加利福尼亞州成立的一個專家小組預計將對美國的政策產生重大影響。

與此同時,回收利用研究人員表示,有效的電池回收不僅僅需要技術進步。長途運輸或跨境運輸可燃物品的高成本也可能會阻礙回收。

因此,在合適的地方設立回收中心可能會產生「巨大的影響」,Harper說。「但是,在系統運作和將所有這些不同的研究結合起來方面,將會有一個真正的挑戰。」

沒有時間可以浪費了,Abbott說。他說:「你絕對不想看的是10年生產的電池完全無法分解,目前還沒有發生這種情況,但人們在大聲疾呼,擔心這種情況會發生。」

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